某特種車轉(zhuǎn)向器螺栓松動(dòng)實(shí)例分析與改進(jìn)

李海蛟，居剛，章健國，黃先科，李文博

某特種車轉(zhuǎn)向器螺栓松動(dòng)實(shí)例分析與改進(jìn)

李海蛟，居剛，章健國，黃先科，李文博

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司重型商用車研究院，安徽 合肥 230601）

在汽車行業(yè)中，螺栓松動(dòng)是螺栓連接最常見的故障形式之一。螺栓松動(dòng)會(huì)對(duì)連接部件產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，危及行車安全。文章對(duì)某特種車轉(zhuǎn)向器固定螺栓松動(dòng)的實(shí)際案例進(jìn)行分析計(jì)算，探究螺栓緊固力、摩擦系數(shù)與擰緊力矩的關(guān)系，依此提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。文章詳細(xì)闡述了螺栓摩擦系數(shù)、連接件材料強(qiáng)度、擰緊力矩等因素對(duì)螺栓松動(dòng)的影響，表明調(diào)節(jié)螺栓摩擦系數(shù)、擰緊力矩以及連接件材料強(qiáng)度是改善防松效果的有效措施。

轉(zhuǎn)向器；螺栓松動(dòng)；摩擦系數(shù)；擰緊力矩

前言

螺栓連接是汽車行業(yè)中最為普遍的一種零部件連接方式。該連接方式有著便于拆裝、維修容易的優(yōu)點(diǎn)[1]。但是，螺栓連接容易出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)螺栓松動(dòng)時(shí)，螺栓會(huì)受到彎曲交變載荷的沖擊，使螺栓表面產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展至芯部，最終產(chǎn)生斷裂[2]，嚴(yán)重影響車輛的安全性能。

文獻(xiàn)資料表明[3]，導(dǎo)致螺栓松動(dòng)的原因主要有：（1）支撐面壓潰，產(chǎn)生塑形變形導(dǎo)致螺栓松動(dòng)；（2）螺栓的共振迫使螺紋面產(chǎn)生塑形變形導(dǎo)致松動(dòng)；（3）外載荷的作用下，螺母自動(dòng)回轉(zhuǎn)，引起松動(dòng)。但是，目前對(duì)螺栓松動(dòng)機(jī)理的探究大多在已確定載荷（方向、振幅、頻率）的模擬試驗(yàn)上進(jìn)行，而實(shí)際路況中，車輛所受載荷較為復(fù)雜，特別是較為惡劣的路況，很難用單一載荷進(jìn)行模擬。因此，本文結(jié)合特種車路試過程中的試驗(yàn)問題，對(duì)轉(zhuǎn)向器螺栓松動(dòng)進(jìn)行實(shí)例分析。

1 轉(zhuǎn)向器螺栓松動(dòng)實(shí)例分析

某8×4重型特種車輛在進(jìn)行越野路試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)向器固定螺栓產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象。本文通過對(duì)該處螺栓設(shè)計(jì)情況進(jìn)行防松分析，探究轉(zhuǎn)向器螺栓松動(dòng)的故障原因，并提出優(yōu)化措施，為解決同類問題提供可參考的途徑。

1.1 螺栓松動(dòng)原理分析

首先，對(duì)螺栓松動(dòng)的原理進(jìn)行分析。螺栓緊固時(shí)，需要克服螺栓與各連接接觸面的摩擦力，通常包括螺紋副中的摩擦力和支撐面的摩擦力。也就是說，螺栓的擰緊力矩為螺紋副中的摩擦力矩1與支撐面的摩擦力矩2之和。即公式：

=1+2（1）

根據(jù)文獻(xiàn)資料[2]，公式（1）中，1與2可由下式表達(dá)：

故總扭矩可表達(dá)為：

式中，為緊固力；2為螺紋中徑；d為支撐面等效摩擦直徑；為牙型半角；為螺紋升角；為螺距；μ為支撐面摩擦系數(shù)；μ為螺紋副摩擦系數(shù)。螺紋副摩擦系數(shù)和支撐面摩擦系數(shù)大致相當(dāng)，由式（4）可知，當(dāng)扭矩一定時(shí)，螺栓緊固力與摩擦系數(shù)成反比[4]。對(duì)公式（4）進(jìn)行轉(zhuǎn)化，螺栓緊固力與摩擦系數(shù)存在如下關(guān)系：

按照公式（5），以一定的扭矩?cái)Q緊螺栓，當(dāng)螺栓的摩擦系數(shù)增大時(shí)，螺栓的緊固力減小，當(dāng)緊固力小于螺栓所需要的夾緊力，就會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。

但是，螺栓的摩擦系數(shù)也并非越小越好。緊固軸力受螺栓的規(guī)格所限有一個(gè)上限值，當(dāng)螺栓的摩擦系數(shù)減小，擰緊力矩的上限值就會(huì)減小，此時(shí)，絕大部分?jǐn)Q緊力矩用來抵抗摩擦力，實(shí)際作用于防松部分的擰緊力矩很小，導(dǎo)致螺栓的防松性能下降。因此，在螺栓防松設(shè)計(jì)中，要達(dá)到較好的防松效果，除了設(shè)定適當(dāng)?shù)臄Q緊力矩外，必須選擇合適的螺栓摩擦系數(shù)，保證擰緊力矩能夠達(dá)到設(shè)定值，使螺栓的緊固力大于防松所需要的夾緊力，取得良好的防松效果。

1.2 轉(zhuǎn)向器固定螺栓松動(dòng)實(shí)例計(jì)算

上文分析了螺栓預(yù)緊力與摩擦系數(shù)的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用過程中，車輛使用工況較為復(fù)雜，同時(shí)，各零部件受力情況也有很大的差別，需要進(jìn)行具體案例具體分析。下文根據(jù)轉(zhuǎn)向器固定螺栓松動(dòng)的具體案例進(jìn)行計(jì)算分析。

轉(zhuǎn)向器的緊固方式為：通過5顆M20×1.5的螺栓穿過轉(zhuǎn)向器連接板，擰入轉(zhuǎn)向器支架上的螺紋孔將轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向器連接板緊固在一起。轉(zhuǎn)向器最大輸出力矩6 847 Nm，垂臂長(zhǎng)度286 mm。轉(zhuǎn)向器固定螺栓的位置及尺寸如圖1所示。根據(jù)圖1可以得出，轉(zhuǎn)向器上5顆緊固螺栓安裝孔與輸出軸的位置分別為：1=172.27 mm，2=89 mm，3=147.5 mm，4=172.27 mm，5=89 mm。

圖1 轉(zhuǎn)向器固定螺栓的位置及尺寸圖

轉(zhuǎn)向器螺栓安裝方式為先風(fēng)槍預(yù)緊，然后采用定扭扳手按（500±50）Nm擰緊，其連接副信息如表1所示：

表1 轉(zhuǎn)向器固定螺栓連接副信息表

連接副名稱連接副信息 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器自攻螺紋深度31 mm，殼體為鑄件，材料QT500 連接板轉(zhuǎn)向器連接板厚23 mm，材料為Q235 轉(zhuǎn)向器固定螺栓M20×1.5×45（六角頭與內(nèi)六角均為該規(guī)格），達(dá)克羅表面處理

首先計(jì)算轉(zhuǎn)向器固定螺栓所需要的最小夾緊力。轉(zhuǎn)向器輸出端的力矩載荷是固定螺栓的主要受力源，按照?qǐng)D1的螺栓位置尺寸，可得：

式中，k為可靠性系數(shù)[5]（考慮接觸面摩擦不穩(wěn)定等因素，一般取1.2～1.5），T為轉(zhuǎn)向器外載荷，1為1點(diǎn)螺栓的軸向緊固力，1為1點(diǎn)螺栓軸心相對(duì)輸出軸的扭矩半徑（2點(diǎn)至5點(diǎn)螺栓的緊固軸力與扭矩半徑以此類推），μ為轉(zhuǎn)向器安裝板和轉(zhuǎn)向器支架接觸面摩擦系數(shù)。在此連接副中，μ取2.0，k取1.5，T取6 847 Nm，假定單個(gè)轉(zhuǎn)向器固定螺栓所需的夾緊力Fmin相等，即Fmin=1=2=3=4=5，整理公式Fmin可表達(dá)為：

將數(shù)據(jù)帶入式（7），可得：Fmin=76.6 kN。即轉(zhuǎn)向器固定螺栓所需要的最小緊固力為76.6 kN。

表2 轉(zhuǎn)向器固定螺栓信息表

螺栓規(guī)格等級(jí)連接板安裝孔徑dh螺栓支撐面外徑dm螺紋中徑d2摩擦系數(shù)μ應(yīng)力截面積A0屈服強(qiáng)度σ M20×1.5×4510.9級(jí)21 mm30 mm19.026 mm0.15～0.30272 mm2940 MPa

再計(jì)算螺栓所提供最小預(yù)緊力Fmin，轉(zhuǎn)向器固定螺栓信息表如表2所示。

轉(zhuǎn)向器固定螺栓表面為普通達(dá)克羅，頂端涂不帶摩擦控制的潤(rùn)滑劑，支撐面摩擦系數(shù)μ與螺紋副摩擦系數(shù)μ近似看作，該值范圍為0.15～0.30，按預(yù)緊力最小時(shí)進(jìn)行取值，即為=μ=μ=0.30。支撐面等效摩擦直徑d按照公式（8）進(jìn)行計(jì)算：

可得d=25.74 mm。根據(jù)公式（6），取=30°，擰緊力矩取下限值450 Nm，帶入數(shù)值，可得：

根據(jù)式（9）計(jì)算，Fmin=60.9 kN。經(jīng)對(duì)比，Fmin=60.9 kN<Fmin=76.6 kN，即螺栓最小緊固力小于螺栓所需的夾緊力，螺紋在外載荷的情況下有滑移風(fēng)險(xiǎn)，防松性能較差。

同時(shí)，進(jìn)行連接件強(qiáng)度校核，在極限情況下，取550 Nm，摩擦系數(shù)取0.15，根據(jù)公式（6），計(jì)算可得最大緊固力Fmax=144.1 kN。螺栓頭下支撐面壓強(qiáng)max計(jì)算如下：

而連接板的材料為Q235，屈服強(qiáng)度P為235 MPa，max＞P，連接板有受壓屈服變形的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)螺栓頭部與基體接觸面產(chǎn)生塑形變形，導(dǎo)致螺栓夾緊力衰減，產(chǎn)生松動(dòng)。

1.3 轉(zhuǎn)向器固定螺栓改進(jìn)措施

根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果，影響螺栓緊固力不足的因素是螺栓擰緊力矩與摩擦系數(shù)。適當(dāng)增大擰緊力矩值，同時(shí)減小摩擦系數(shù)，并降低摩擦系數(shù)散差，可以有效地增大螺栓緊固力。影響連接板支撐面壓強(qiáng)過大的因素是螺栓軸向力與接觸面積。在緊固力增大的前提下，可以通過增大螺栓接觸面積來減小壓強(qiáng)，或者增強(qiáng)連接件材料，提高連接件的屈服強(qiáng)度。根據(jù)分析結(jié)果，按照以下措施進(jìn)行整改：

（1）螺栓緊固力矩調(diào)整為（550±50）Nm；

（2）減小螺栓摩擦系數(shù)并控制散差，通過涂覆摩擦控制潤(rùn)滑劑，摩擦系數(shù)控制在0.12～0.18；

（3）增強(qiáng)連接板材料，更換為45號(hào)鋼；

（4）采用同規(guī)格法蘭面螺栓，螺栓支撐面直徑d為40 mm。

1.4 轉(zhuǎn)向器固定螺栓整改驗(yàn)證結(jié)果

1.4.1理論驗(yàn)證

按照整改狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式（9），算得Fmin=110.4 kN，與螺栓所需的最小夾緊力進(jìn)行對(duì)比，可得Fmin=110.4 kN>Fmin=76.6 kN，滿足使用要求。

根據(jù)公式（9）、（10），Fmax=221 kN，max=243.1 MPa，45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度P為355 MPa，二者進(jìn)行對(duì)比，max<P，滿足使用要求。

1.4.2可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

按以上整改措施，對(duì)兩臺(tái)試驗(yàn)樣車進(jìn)行整改優(yōu)化。完成后在越野路、強(qiáng)化路等多種試驗(yàn)條件下進(jìn)行驗(yàn)證。兩臺(tái)樣車驗(yàn)證里程均在10 000 km以上，驗(yàn)證具體工況及結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)轉(zhuǎn)向器固定螺栓松動(dòng)、斷裂等故障，整改效果明顯。

表3 可靠性驗(yàn)證工況及結(jié)果 單位：km

樣車編號(hào)越野路里程強(qiáng)化路里程高環(huán)試驗(yàn)里程高溫試驗(yàn)里程高寒試驗(yàn)里程其他道路里程總里程驗(yàn)證結(jié)果 1#樣車3 5062 8864 850002 45613 698無松動(dòng) 2#樣車07402091 9895 1322 50010 570無松動(dòng)

2 結(jié)論

（1）通過理論計(jì)算，分析了螺栓緊固力與摩擦系數(shù)、擰緊力矩的關(guān)系，表明摩擦系數(shù)以及擰緊力矩是影響螺栓松動(dòng)的主要因素。摩擦系數(shù)不宜太大，也不宜太小，控制在0.12～0.18較為合適。

（2）以轉(zhuǎn)向器固定螺栓為例，根據(jù)其實(shí)際載荷，分別計(jì)算螺栓所需的夾緊力與實(shí)際提供的緊固力，進(jìn)行對(duì)比分析，確認(rèn)松動(dòng)原因?yàn)槟Σ料禂?shù)與擰緊力矩設(shè)定不當(dāng)，依此制定相應(yīng)的整改措施，并進(jìn)行理論與試驗(yàn)驗(yàn)證，有效地改善螺栓的防松性能，同時(shí)也為此類問題的分析提供了理論參考。

（3）通過計(jì)算螺栓頭接觸面壓強(qiáng)，與接觸面材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，論證了螺栓接觸面壓強(qiáng)對(duì)螺栓松動(dòng)的影響，依此制定相應(yīng)的改善措施，并進(jìn)行理論與試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步改善螺栓的防松性能。

[1] 張鵬,賢業(yè)飛,崔征宇.螺栓防松技術(shù)研究[J].工業(yè)與信息化,2019(7): 123.

[2] 武永亮,郭海霞.摩擦系數(shù)對(duì)于輪胎螺栓防松性能的影響[J].汽車工藝與材料,2018(3):32-35.

[3] 于俊輝,李維榮,許昊.螺栓摩擦系數(shù)對(duì)連接松動(dòng)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2015,28(3):10-12.

[4] 孫紀(jì)偉.螺栓裝配扭矩控制方法及其應(yīng)用分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件, 2019(4):102-104.

[5] 李祥喜.分析擰緊力矩對(duì)后橋輪胎螺栓斷裂的影響[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017(17):114-117.

Analysis and Improvement of Steering Gear Fixing Bolt Loosening in Special Vehicle

LI Haijiao, JU Gang, ZHANG Jianguo, HUANG Xianke, LI Wenbo

( Heavy Commercial Vehicle Academe of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Loosening is one of the most commom form of failure in bolted connections in automobile trade. The lossening of bolts have severe effects on connected parts, which endangered driving safety. This paper analyzes the cause of loose bolts, and research the relationship between bolt tightening force, friction coefficient and tightening torque by theoretical calculation. The article calculates the actual case such of steering gear fixing bolt loosening of a special vehicle. Than the optimization plans have been proposed and the experiments have been completed after analyzed. The article elaborated the effects of bolt friction coefficient ,material strength of joints, tightening torque and other factors on bolt loosening, which indicates having a effective measure on the improvement of anti-losseness effect.

Steering gear;Bolt loosening;Friction coefficient;Tightening torgue

A

1671-7988(2021)22-75-03

U464.133+.2

A

1671-7988(2021)22-75-03

CLC NO.: U464.133+.2

李海蛟，男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司重型商用車研究院，主要負(fù)責(zé)汽車底盤設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.019